ESCOLA UNIVERSITÀRIA D'ENGINYERIA TÈCNICA INDUSTRIAL DE BARCELONA UNITAT D'ELECTRÒNICA

ELECTRÒNICA DIGITAL (15506)

PRÀCTICA : 1

INTRODUCCIÓ ALS SISTEMES DIGITALS

1.1.- OBJECTIUS DE LA PRÀCTICA.

La present pràctica té una doble finalitat, primer serà cercar informació en mitjans especialitzats, de la qual dependrà el correcte desenvolupament de la resta de pràctiques, i segon el muntatge i comprovació dels propis dissenys basats en l'estudi i la informació cercada.

En aquesta pràctica també es farà la posada en servei del mòdul d'entrada i sortides realitzat per vosaltres en la pràctica 0.

1.2.- QÜESTIONS PRÈVIES A LA PRÀCTICA.

1.2.1.- Definiu de la millor manera possible que es un circuit integrat (``xip''). Digueu quins son els tipus d'encapsulats per circuits integrats, ajudeu-vos de dibuixos.

Un circuit integrat és una pastilla molt prima on es troben milers o milions de dispositius electrònics interconectats, principalment transistors, però també components passius com resistències, capacitors o díodes. La seva àrea pot ser de 1 cm2 o inclús inferior.

La fabricació dels circuits integrats es basa en els principis de materials, processos i disseny que constitueixen la tecnologia dels semiconductors. A la figura 1 està indicada la estructura bàsica d'un circuit integrat que consta de quatre capes diferents de materials.

La capa inferior (1) (`uns 150 m de grossor) és de silici tipus p i serveix com a substrat sobre el qual es construirà el circuit integrat. La segona capa (2) és molt prima (normalment de 5 m a 25 m) i de material tipus n que creix com una extensió monocristalina del substrat. Tots els components, passius i actius, es construeixen dins de la fina capa de tipus n fent servir una sèrie de passos de difusió. Aquests components són transistors, díodes, condensadors i resistències, i es construeixen mitjançant la difusió d'impureses del tipus n i p. El component més complicat és el transistor i tots els altres es construeixen per un o més processos necessàries per la fabricació del transistor. Al fabricar qualsevol dels elements citats, és necessari distribuir les impureses a certes regions perfectament definides dins la segona capa. La

difusió selectiva d'impureses s'aconsegueix utilitzant SiO2 com a protecció de les parts que no interessa que siguin impurificades. En conseqüència, la tercera capa, és de diòxid de silici, que, al mateix temps, protegeix la superfície del semiconductor contra la contaminació a les regions a les que ha d'haver difusió. S'elimina la capa de silici, quedant la resta protegida contra aquesta difusió. Per aconseguir una eliminació selectiva, la capa de silici a de sotmetre's a un procés de fotolitografia. Finalment, la quarta capa (4) és metàl·lica (alumini) i s'anyadeix per aconseguir les interconnexions necessàries entre els components.

La disposició dels components crea el que coneixem com a portes lògiques, n'hi ha 7 tipus, cada una en un circuit integrat diferent:

NOR NAND OR AND

NOT EXOR NEXOR

Aquí s'han il·lustrat solsament els 7 més importants amb els quals tot es mou, però és evident, que hi ha moltes més portes amb un connexionat diferent amb més patilles o menys i que la seva funció és molt més extensa, com la de un comptador, un comparador, un biestable, etc.

1.2.2.- Les dues famílies lògiques per excel·lència són la TTL i la CMOS. Les característiques principals per les quals podem diferenciar a cada família són:

- Tensió d'alimentació i marges de tolerància.

- Nivells lògics per estat baix i alt d'entrada i sortida.

- Dissipació de potència (consum màxim per porta).

- Temps de propagació.

-Carragabilitat: fan-in i fan-out.

Expliqueu d'una manera entenedora el que significa cada característica. Digueu quins són els valors de les anteriors característiques per cada família (TTL i CMOS).

La tensió d'alimentació és el voltatge que és dona exteriorment per poder alimentar la porta lògica i la tolerància és la petita diferència de voltatge que pot acceptar el circuit integrat sense variar les característiques. En la família CMOS el voltatge va de 3 a 15 V a les series 4000 i 74C i de 2 a 6 V a les series 74HC i 74RCT i la seva tolerància és del 26% mentre que, en la família TTL, el voltatge amb el qual s'alimenta és de 5 V i la seva tolerància és molt més baixa, d'un 5%.

Els nivells lògics per estat baix i alt d'entrada i sortida és el voltatge acceptat per la qual la porta donarà com a “1” o com a “0”. En la família CMOS el nivell lògic d'entrada “0” es representa per una tensió de 0 V fins 1,5 V i l'estat “1” per una tensió que va des de 3,5 V fins 5 V (estant connectada a una tensió de 5 V) i el nivell lògic de sortida “0” pot ser representat entre 0 V i 0,1 V i l'estat “1” de sortida entre 4,9 V i 5 V.

En canvi, en la família TTL el nivell lògic baix d'entrada pot ser representat per qualsevol tensió entre 0 V i 0,8 V i l'estat alt per qualsevol entre 2 V i 5 V. A la sortida el nivell lògic baix es pot representar per qualsevol tensió entre 0 V i 0,4 V i l'estat alt per 2, 4 V fins 5 V.

La potència dissipada és la potència mitja que una porta consumirà, en la família CMOS, la potència dissipada és de 10 nW mentre que en la família TTL és molt superior, 10 mW.

El temps de propagació és el temps que passa des de que la senyal d'entrada passa per un determinat valor fins que la sortida reacciona respecte d'aquest valor. En la família CMOS el temps de propagació és de 33 ns i en la família TTL de 10 ns, molt més ràpid.

El fan-out és el màxim número de portes que es poden excitar sense sortir dels marges garantitzats per el fabricant, la família CMOS te una carragabilitat (o fan-out) de 50 o el que permeti el temps de propagació i la família TTL te una carragabilitat de 10 potes.

Família CMOS

Família TTL

Tensió alimentació i tolerància	De 3 a 15 V (series 4000 i 74C) De 2 a 6 V (series 74HC i 74RCT) Amb una tolerància del 26 %	5 V amb una tolerància del 5%
Nivells lògics	Entrada: “0”: 0 - 1,5 V “1”: 3,5 - 5 V Sortida: “0”: 0 - 0,1 V “1”: 4,9 - 5 V	Entrada: “0”: 0 - 0,8 V “1”: 2 - 5 V Sortida: “0”: 0 - 0,4 V “1”: 2,4 - 5 V
Dissipació de potència	10 nW	10 mW
Temps de propagació	33 ns
Carragabilitat	50 potes o el que permeti el temps de propagació	10 potes

1.2.3.- Expliqueu quines són les numeracions i els codis pels quals s'identifiquen els TTL i els CMOS així com els diferents tipus (en quan a tecnologia no a components) dins de cada família.

CMOS:

Sèrie 4000: És la primera en aparèixer. Te una dissipació de potència molt baixa i la seva tensió d'alimentació és variable entre 3 i 15 V. El seu principal desavantatge és la seva reduïda velocitat i que no te compatibilitat de pins ni elèctrica amb les TTL, la sèrie 4000 no s'utilitza en el disseny de circuits nous

Sèrie 74C: La sèrie 74C te compatibilitat de pins i és equivalent amb les TTL. Les característiques són pràcticament les mateixes que les de la sèrie 4000 i pràcticament està en desús.

Series 74HC i 74HCT: La velocitat d'aquestes dos series és unes 10 vegades superior a les de la sèrie 4000 i pot manejar corrents de sortida bastant més elevades que la sèrie 74C. Les dos series tenen compatibilitat de pins i son funcionalment i elèctricament equivalents a les TTL.

Series 74AC i 74ACT: Elèctricament són compatibles i funcionalment equivalents als circuits TTL però no tenen compatibilitat de pins ja que la seva disposició es canvia per millorar la immunitat al soroll, aquestes series tenen un menor retard de propagació i una major freqüència màxima de rellotge.

Series 74AHC i 74AHCT: Aquestes 2 sèries tenen una major velocitat i molt poca potència dissipada, pràcticament són tres vegades més ràpides que les HC.

TTL:

Sèrie 74: La sèrie 74 és la TTL Standard, la primera sèrie que va ser creada, però actualment no s'utilitza gaire ja que hi ha disponibles altres dispositius més barats i amb més prestacions.

Sèrie 54L/74L: Consumeix menys potència que la 74, però com a contrapartida, és més lenta. La dissipació de potència d'aquests elements és de 1 mW davant els 10 mW de les 74.

Sèrie Schottky 54S/74S: El major desavantatge d'aquesta sèrie és que te una major velocitat de commutació que les estàndard.

Sèrie Schottky 54LS/74LS: En aquesta sèrie s'arriba a un compromís entre dissipació de potència i velocitat de commutació. Es redueix la dissipació de potència per tal de millorar la velocitat de commutació.

Sèrie 74AS: És una versió millorada de la sèrie Schottky ja que proporciona més velocitat que la sèrie 74S i una dissipació de potència molt menor. Aquesta sèrie és la més ràpida.

Sèrie Schottky 74ALS: Presenta una millor velocitat i dissipació de potència que la sèrie 74LS. Aquesta sèrie te el menor producte velocitat-potència de totes les TTL.

Sèrie 74F: És una versió de la sèrie 74AS, utilitza una nova tècnica de fabricació de circuits integrats per reduir les capacitats paràsites entre els seus dispositius. Permet obtenir millors temps de retard de propagació.

1.2.4.- Obteniu l'assignació de potes (“pinout”) dels “data sheet” dels integrats que us facin servei per la pràctica.

Per realitzar la pràctica, com que tota l'estona es fan servir portes NAND de 2 entrades, he escollit utilitzar el circuit integrat 4011 de la família CMOS que té 4 portes NAND de 2 entrades en un circuit de 14 pins.

1.2.5.- En el circuit de la figura, A,B i C són les entrades i Y la sortida:

a) Determina la funció Y que realitza el circuit.

b) Simplifica algebraicament la funció Y.

c) Determina la taula de la veritat del sistema

Y = A·B·C

A·B·C = A+(B·C) = A+B·C => Y = A+B·C

1.2.6.- En el circuit de la figura A i B són les entrades i Y la sortida.

a) Determina la funció Y que realitza el circuit.

b) Simplifica algebraicament la funció Y.

c) Determina la taula de la veritat del sistema.

Y = A·B·A·B

A·B·A·B = (A+B)·(A+B) = (A+B) + (A+B) = A·B + A·B => Y = A + B

1.2.7.- En aplicació dels teoremes i lleis de l'àlgebra lògica, realitzeu una porta NOR de dues entrades utilitzant nomès portes NAND de dues entrades. Dibuixeu l'esquema i el connexionat porta a porta i pota a pota dels circuits integrats.

1.2.8.- Realitza una funció NAND de 4 entrades utilitzant només portes NAND de 2 entrades. Dibuixar l'esquema i el connexionat porta a porta i pota a pota dels circuits integrats. Determina la teòrica taula de la veritat.

1.2.9.- Donada la funció Y = "ABC (0,1,2,3,4,5) Determina:

a) La teòrica taula de la veritat.

b) Simplifica la funció Y i expressa-la en primera forma canònica.

c) Implementa la funció Y simplificada amb nomès portes NAND de dues entrades.

d) Dibuixa l'esquema i el connexionat porta a porta i pota a pota dels circuits integrats.

a)

b)

Y = A + B

c)